:电动汽车; 锂离子电池; 低温快速加热法; 设计目标
摘要:锂离子电池直接影响电动汽车的电池寿命，安全性和可靠性。在低温环境下，锂离子电池的功率特性恶化，循环寿命衰减，可用容量降低，低温充电困难，容易充锂。这些因素阻碍了电动汽车的发展。低温加热技术是电池热管理系统的核心技术之一，是缓解动力电池在低温环境下性能退化的关键。本文综述了低温快速加热方法的最新研究进展，包括内部自加热法、MPH加热法、自加热锂离子电池、交流加热法，并综述了加速速度、能耗、不同加热方式的循环容量损失等关键性能参数。此外，总结了动力电池低温热管理系统的设计目标，对比分析了不同加热方式的性能。分析结果表明，交流加热方法比其他方法更具优势，特别是在能耗和电池老化方面。最后，指出了现有研究在电池老化机理和电池/组级升温策略研究中的不足，并对未来的研究方向进行了展望。本文内容有利于低温加热方式的开发和实际工程问题的解决，可为电动汽车动力电池低温快速加热技术研究和低温热管理系统设计提供参考。
，随着经济社会的快速发展，对能源的需求日益增加，尤其是在交通运输领域。在化石能源日益枯竭、环境污染日益严重的背景下，新能源汽车具有广阔的发展前景。近年来，基于纯电动汽车的新能源汽车发展迅速，有望取代传统内燃机汽车。动力电池是电动汽车的关键部件之一，其性能直接影响电动汽车的安全性、舒适性和经济性。
范围，充电时间和安全性是电动汽车推广中最重要的指标。锂离子电池由于具有高功率密度、高能量密度、高电压、使用寿命长、自放电率低等优点，被广泛应用于电动汽车的储能系统。然而，锂离子电池的性能受到环境温度的显著影响。特别是在低温环境下，锂离子电池的电解质和固体电解质电解质界面 (SEI) 的电导率降低，离子固相扩散率减慢，负极过电位增加。这些因素都会导致锂离子电池的输出功率、能量密度和电池的使用寿命大大降低，甚至影响行车安全。以石墨为负极的普通锂离子电池在-10 ℃ 下工作，容量和工作电压会明显降低。在-20 ℃ 的极端环境下，锂离子电池的内阻急剧增加，显著削弱了电池的充放电性能。同时，在低温环境下，电池充电时锂析出的风险增加，锂枝晶的生长会刺穿电池隔膜，造成电池内部短路，对电池造成不可逆的损害。
主要从两个方面提升动力电池在低温环境下的性能: ① 研究开发低温特性更好的电解质和电极材料; ② 电池低温加热策略研究。很难确保在短时间内开发能够适应低温环境的电池材料。相比之下，从电池热管理系统的角度研究低温加热策略更具可行性。
近年来，大量学者对电池的低温发热进行了研究分析。目前，低温加热策略的研究主要集中在实现难度较小的外部加热方式上。外部加热方式的热源位于电池外部，具有较为成熟的理论基础和丰富的工程经验。目前，大多数商用电动汽车都使用这种解决方案。然而，外加热方式存在加热速度慢、能量利用效率低、温度分布不均匀等固有缺陷。针对外部加热方式存在的问题，学者们开始研究电池内部加热的低温快速加热方式，如交流加热法、内部自加热法、自加热法锂离子电池等。与外部加热方式相比，低温快速加热方式具有加热速度快，能量利用效率高，温度分布均匀的优点。然而，对于电动汽车的应用，低温快速加热方式的研究仍然存在许多困难和挑战。一方面，为了在缩短加热时间和延长电池寿命之间找到平衡，有必要优化励磁电流参数。另外一方面，励磁电流对电池老化的影响缺少电化学机理研讨，存在较年夜的平安隐患。此外，动力电池低温热管理系统缺乏统一的设计标准和评价指标，不利于项目的推广应用。
低温快速加热方法，并对相关理论和特点的最新研究进展进行了综述。鉴于此，本文综述了低温快速加热法的理论和特点的最新研究进展，提出了低温热管理系统的设计准则和评价指标，旨在为后续电动汽车动力电池低温加热技术研究和低温热管理系统设计提供参考。
低温快速加热方法利用其在低温下的高阻抗特性，在充电和放电过程中产生大量的电化学热量，以从内部加热电池。这种加热方式有效克服了电池材料导热系数低对加热速度的限制，简化了传热路径。因此，低温快速加热法具有加热速度快、能量损失小、温度均匀性高等优点。
现有的低温快速加热方法，根据加热电路的不同，可分为内部自加热法、MPH (互脉冲加热) 加热法、锂离子电池自加热法、交流加热法。内部自加热方法利用电池本身和外部负载形成加热电路; MPH加热方法利用电池本身和外部储能元件 (如电池或电容器) 形成加热电路；自加热锂离子电池不需要外部电路; 交流加热方式一般使用外部交流电源和电池组成加热电路。
，通常，可以通过对电池进行充电或放电来实现自加热。然而，在低温环境下，当电池充电时存在锂析出的风险。因此，必须严格控制充电电流的大小，这导致充电加热方法中的加热速度慢。相比之下，由于放电过程中负极的电势较高，因此电池几乎没有析锂的风险。因此，放电自加热法更具有应用价值。对于简单的应用，有恒压放电和恒流放电两种模式。
Ji等建立了电池的电化学-热耦合模型，并对恒压放电和恒电流放电两种模式进行了比较。根据仿真结果，在2C恒流放电模式下，2.2ah 18650圆柱形电池可以在420s内从-20 ℃ 加热到15 ℃，加热速率为5 ℃/min。但是，在2.8V恒压放电模式下，同一电池可以在360s内从-20 °C加热到20 °C，加热速率为6.67 °C/min。增大恒流放电的放电电流或降低恒压放电的放电电压，可以进一步提高升温速率，但要避免电池电压降到截止电压以下，加速电池的老化。Wu等人进一步研究了恒流放电模式下放电速率、加热速度和能耗之间的关系。结果表明，在1C和2C放电倍率下，2.6Ah商用18650圆柱形电池分别需要1080s和280s将电池从-10 ℃ 加热到5 ℃，加热过程中的能耗分别占电池容量的30% 和15%。Du等发现恒流放电的电流幅值与电池容量衰减率正相关，与加热时间负相关。为了在容量衰减和加热时间之间找到平衡，使用动态规划算法来优化电池放电电流。优化后的恒流放电加热策略可使加热速度达到2.1 ℃/min。
为了阐明恒流放电模式和恒压放电模式对电池的影响，Ji等提出了表征固相扩散速率的变量iSOC作为评价指标。选择4C恒流放电和接近加热的2.2V恒压放电作为计算条件，并将膜片附近的iSOC值表示为时间的函数。放电一段时间后，恒压放电模式的iSOC值基本稳定，而恒流放电模式的iSOC值波动较大。由于低温环境下固相扩散速率的限制，不稳定的iSOC值可能导致电池停止工作。因此，为了保证电池的可靠性，采用恒压放电加热方式更为可行。
恒压放电加热方式具有加热速度快、安全性和可靠性高的优点，但是如何实现更快的加热速度、更高的能量利用效率以及减少对电池循环寿命的损害还有待解决。为了明确低温环境下恒压放电条件对电池老化的影响，阮等人通过恒压放电循环加热老化实验，得到了描述电池在-30 ℃ 环境下放电电压和老化程度的半经验老化模型。发现电池的放电电压与加热时间呈正相关，与电池的老化程度呈负相关。为了寻找加热速度和电池老化之间的平衡，以加热速率和容量损失为优化目标，通过遗传算法得到不同权重下的最优电压值。当重量0.3时，电池的容量损失仅为2.43V。最佳电压值是将电池加热4.95 2000循环，加热速度达到18.7 ℃/min。
内部自加热方法可以与其他外部加热方法结合使用，以提高电池输出能量利用的效率。Mohan等人通过使用电池本身作为电源的DC/DC电路驱动加热器以产生热量。当热空气通过风扇在电池组内循环时，加热器加热冷空气。此时，电池本身产生热量，外部热空气一起加热电池。为了减少加热过程的能量损耗，提高加热速度，Mohan等人提出以电池制造商提供的电流和电压限制为约束条件，对加热过程的能量损耗进行优化，并计算DC/DC电路中晶闸管的优化控制信号。研究表明，电池的优化放电过程为恒压放电、恒流放电和休止期相结合，采用优化放电方法，电池升温速率可达16 ℃/min。阮等人将薄膜加热器附着在电池表面，由电池放电能量驱动，提出了恒压放电的内部自加热法与外部加热法相结合的复合加热方法。分别建立了电池的分布式等效热路模型、等效电路模型和电池老化模型，对所提出的复合加热方法进行性能分析和优化。采用遗传优化算法对升温速率、容量损失和电池温差进行优化，以电池电压和电池表面热阻为约束条件，得到不同权重系数下电池的最优放电电压。与恒压放电内部自加热法相比，优化后的复合加热法可使电池升温速率提高60.8%，能耗降低54.8%，容量不可逆损失降低45.2%。
内部自加热法电路结构简单，成本低，加热速度快。然而，在加热过程中，大量的能量消耗在外部负载上，没有得到充分利用，导致内部自加热方式的能量利用效率低。在加热过程中，电池以高电流速率放电，这可能导致电池过度放电并增加电池老化的风险。同时，内部自加热方式在加热过程中消耗电池容量的15% 以上，使其仅适合在高电池荷电状态 (SOC) 条件下使用，否则电池能量将被耗尽。
MPH使电池与另一个储能元件 (例如电池，电容器) 形成加热回路，并且在电池的充电和放电过程中电池被加热。Ji等将电池组中的电池分成两组，容量相等，并将两组电池用升压电路连接。通过开关管的通断，使两组电池交替充电和放电。为了保证两组电池容量的平衡，将两组电池的充放电时间设置为相等。研究发现，与内部自加热方式相比，双向脉冲电流加热方式可以实现更高的加热速度和能量利用效率，并降低电池老化的风险。当脉冲间隔设置为1s，环境温度为-20 ℃，脉冲电压幅值为2.8V时，将电池从-20 ℃ 加热到20 ℃ 需要220s，加热速度达到10.9 ℃/min，并且能量消耗是电池容量的5%。
为了实现更高的加热速率并降低加热过程中电池老化和能量损失的风险，需要优化脉冲电流的参数。Mohan等以加热时间和能耗为优化目标，对双向脉冲电流的参数进行了优化。在加热过程中，电池输出的脉冲功率的恢复程度被用作加热结束的指标。结果表明，优化后的双向脉冲电流加热方式比恒压放电加热方式降低了35% % 的能耗。Wu等人基于电池的二阶等效电路建立了频域电热耦合模型，为了防止电池处于充电状态时出现锂，需要在不同温度和频率下限制脉冲电流的幅值。经由过程负极临界平衡电压与电池SOC之间的0.5，获得了分歧温度下脉冲电流的最优频率和幅值。采用优化的脉冲电流参数对电池进行加热，最大加热速率为4.87 ℃/min。30个加热循环后的容量损失为0.035%。
通常，MPH加热方法可以实现更高的加热速率并确保良好的温度均匀性。与放电自热方式相比，MPH加热方式消耗的电池能量多用于电池内部加热，仅在外部电路上消耗较少的能量。因此，MPH加热方法具有高的能量利用效率。加热过程中的能耗一般不超过电池容量的10%，加热时间一般不超过5分钟。为了减小脉冲电流加热策略对电池老化的影响，需要从模型中优化脉冲电流的幅值和频率。
，宾夕法尼亚大学的朝阳王团队首先提出了一种新的电池结构，称为 “全气候电池”，如图1(a) 所示。在该结构中，具有一定电阻值的薄镍片嵌入电池中，并且薄镍片用作加热元件以从内部加热电池。薄镍片引出两个接线片，其中一个连接到电池的负极，另一个接线片引出一个单独的极，称为激活端子 (ACT)。参照图1 (B)，当需要加热电池时，开关闭合，有源极连接到正极。电流流过电池本身和薄镍片以产生热量来加热电池。当电池达到预设温度时，开关关闭，薄镍片被旁路，电池正常工作。实验结果表明，所提出的自发热锂离子电池可加热到0 ℃，在19。分别在-20 ℃ 和-30 ℃ 环境温度下5s和29.6s，分别消耗电池容量的3.8和5.5，加热速度达到61.2 ℃/min和60.8 ℃/min。
图1全气候电池
对正极和活性电极之间的开关施加不同的控制信号，可以将自加热锂离子电池应用于不同的应用场景。Zhang等人提出了一种新的加热控制策略，使电池加热过程和正常运行能够同步进行。如图1(c) 所示，当电动汽车处于正常行驶状态时，开关断开; 当电动汽车处于制动能量回收状态时，开关闭合，使制动电流通过薄镍片对电池进行加热；当电动汽车处于停止状态时，仍然控制开关闭合，电池放电电流流过薄镍片和其自身的内阻，对电池进行加热。结果表明，在-40 ℃ 的US06工况下，该方法可在112s内将电池加热至10 ℃，续航里程可提高49% %。Wang等人进一步研究了自加热锂离子电池在充电状态下的加热方式，提出了在正极和活性电极之间施加脉冲电流的控制策略。实验研究了该加热策略在不同环境温度下的加热性能及其对电池循环寿命的影响。结果表明，该加热控制策略可分别在-10 ℃ 、-20 ℃ 和-30 ℃ 下将电池在54s、77s和90s内加热到10 ℃，加热过程中的能耗小于电池容量的2%。
自发热锂离子电池可在短时间内产生大量热量，而薄镍片产生的热量占主导地位。然而，电池的层叠结构允许电池在厚度方向上仅具有小的传热系数，导致从薄镍片到电池外表面的大的温度梯度。电池内部不均匀的温度分布进一步导致电流分布不均匀，影响加热效率和电池寿命。为了提高加热过程中电池内部的温度均匀性，Yang等人提出了镍片的多片平行结构，即多个镍片平行排列在电池内部的不同位置，如图1(d) 所示。所提出的多片并联加热结构可显著改善电池内部温度均匀性。当采用三片并联结构时，电池内部的最大温差可以控制在5 ℃ 以内。同时，多片并联结构可以显著降低能耗。采用三片并联结构时，加热能耗比单片结构降低27% %。Lei等人提出了一种间歇加热策略，以提高自加热锂离子电池的温度均匀性。具体地，电池的加热过程不是连续执行的，而是周期性地交替执行加热过程和休止过程。电池在-20 ℃ 下加热30s后，采用连续加热策略的电池内部温差可达11 ℃，而采用加热0.1s、静置0.3s的间歇加热策略的温差仅为2 ℃。
尽管自发热锂离子电池在加热过程中会产生一定的温度梯度，但其温度均匀性和加热速度与传统的外部加热方式相比仍具有显着的优势。Yang等以容量为40Ah、厚度为34毫米的锂电池为研究对象，从升温速率、局部最高温度等方面比较了内部自加热法、外部电阻加热法以及自加热式锂离子电池的性能。在相同条件下，自热锂离子电池的加热速率约为60 °C/min，而外部电阻加热方式的加热速率仅为1 °C/min。尽管增加外部电阻器的加热功率可以增加加热速率，但是电池厚度方向上的低热导率可能导致热量积聚在电池表面并导致局部过热。Lei等建立了三维有限元模型，研究了两片并联结构自发热锂离子电池的瞬态热特性和宽线金属膜加热方式。仿真结果表明，在相同条件下，宽线金属膜加热法的最大温差是双并联结构自热锂离子电池的三倍。发现通过降低加热功率，减小电池厚度和延长静置时间，可以进一步提高自加热锂离子电池的温度均匀性。
自发热锂离子电池具有相对较高的升温速率和较高的能量利用效率，延长了电池在低温环境下的循环寿命。同时，对正极和有源电极之间的切换应用不同的控制策略，使自发热锂离子电池可以应用于放电加热、充电加热、正常行驶加热等各种应用场景。尽管自加热锂离子电池可能会导致电池内部温度分布不均匀，但通过多芯片并联结构设计或间歇加热策略可以有效控制最大温差。然而，自加热锂离子电池需要改变电池的内部结构，这降低了电池的能量密度。同时，一旦发生电池热失控，嵌入电池中的高活性镍片将使电池面临严重的安全风险。因此，自加热锂离子电池需要采取谨慎有效的控制策略，准确监测和预测电池内部温度，防止电池过热威胁驾驶安全。
AC加热方法通过向电池施加AC电流以从内部加热电池来产生热。周期性的充电和放电过程可以快速加热电池并保持电池的SOC不变。AC加热方法可以使用外部AC电源，使得加热过程不消耗电池本身的能量。交流电的波形是变化的，最广泛使用的是正弦交流电。
，明确了交流电流参数对加热性能的影响，对交流加热方式的应用具有指导意义。Hande等人设计了一种高频转换器来产生10-20khz的交流电，并首次提出了用于高频交流电的NIMH电池的加热策略。通过实验研究了交流电流幅值、SOC和环境温度对电池加热时间的影响。发现加热到相同温度所需的时间随着电流幅度的增加而减少。Ji等建立了基于时间的交流加热方式的电化学-热耦合模型，并从电化学机理的角度进一步探讨了交流频率对加热性能的影响。为了研究AC频率的影响，使用 (2) = 3.8 & 减; cos(2) 的AC电压信号在-20 °C下加热电池。电压频率测试值分别设定为0.01、0.1、1hz、60hz和1000。实验结果表明，电池加热时间随着交流电压频率的增加而减少。
改变交流电的幅度和频率会影响电池的内部加热功率，进而影响电池的加热速度。为了缩短加热时间，有必要进一步研究和优化交流电参数的选择。Zhang等建立了基于频域的电池等效电路模型，如图2(a) 所示。以电池发热模型为热源，建立电池集总参数热模型，对电池温度进行预测。通过电热耦合模型研究了不同热边界条件下交流电流幅值和频率对升温速率的影响。结果表明，在一定范围内，较高的电流幅值、较低的电流频率和良好的绝缘条件有利于提高电池的升温速率。此外，通过合理选择交流电流参数，可以有效提高加热速度，降低电池中锂析出的风险。阮等人发现，当电池被具有固定参数的交流电加热时，电池的加热速率随时间而降低，并将此归因于电池极化电压的降低。为了最大化加热速率，基于Jiang提出的电池的简化等效电路模型，建立了加热与极化电压和阻抗之间的关系。因此，提出了一种优化的加热方法，以固定极化电压幅度并在不同温度下以最佳频率值实时调节交流电流幅度。采用优化后的加热方式，电池从-15.4 ℃ 加热到5.6 ℃ 只需要338s，加热速率为3.73 ℃/min。限制电池的安全电压，Li等人通过实验揭示了不同温度下电流幅值与内阻和频率之间的依赖关系，得到了电池加热功率随频率的变化曲线。发现在不同的温度下，存在电流频率和幅度的最佳组合，以使电池的加热功率最大化。基于实验结论，Li等人提出了基于交流电参数温度自适应的交流电加热优化控制策略。在电池加热过程中，根据电池温度逐渐调节交流电的频率和幅度。结果表明，采用所提出的优化加热方法，电池的最大升温速率达到2.31 ℃/min。Zhang等进一步研究了交流电梯参数的步进调节频率对加热性能的影响。实验结果表明，较高的阶跃调节频率有利于缩短加热时间，使最大加热速率大于4 ℃/min。
使用交流电来刺激电池的加热，通常认为降低交流电的频率有利于提高加热速率。但是，Shang等人已经表明，在高频范围内 (通常在10kHz以上)，增加交流电的频率也可以提高加热速率。Shang等提出了一种基于LC谐振电路产生高频正弦交流电的交流加热方法，并通过实验研究了高频电流的幅值和频率对加热速率的影响。实验结果表明，在高频范围内 (通常高于10kHz)，增加交流电的频率和幅度可以提高加热速度。为了优化高频交流加热方式的加热效率，Shang等人建立了考虑高频下电荷转移热产生影响的电热耦合模型，用于指导高频交流的振幅和频率的选择。采用优化后的高频交流电参数，最大升温速率达到3.57 ℃/min，无析锂现象发生。
在实际工程应用中很难调节交流频率。因此，通常通过固定AC频率并调整AC振幅来增加加热速率。然而，在低温环境下，过大的AC振幅可能导致锂在负极中析出。因此，需要规定交流电流的振幅的范围。Ge等，以防止锂析出为交流振幅的限制条件。以电池SOC的负平衡电位为0.5值作为电池过电位的极限值，计算出不同温度和频率下的最大允许电流值。提出了一种固定电流频率并根据电池温度实时调整电流幅值的级联加热方法。Mohan等人使用预测控制来调整AC电流的幅度，将电池制造商提供的电流和电压限制作为约束。阮等人以电池极化电压为约束条件计算电流幅值，其值设为0.5V。Guo等人以防止电池过充电和过放电为目标，确定了端电压的安全范围。提出了一种以安全回路的端电压为约束条件，实时计算最大允许电流幅值的阶跃电流加热方法。在后续研究中，Guo等人提出以防止锂电池和电池过充电和过放电为约束条件确定电流幅值，并将两个约束条件下计算出的最小值作为电流幅值的最优值。Jiang等推导出无锂作为约束条件的电池过电压阈值，并确定了电流幅值范围。结果表明，增加电流频率有利于降低锂沉淀的风险，但也减少了热量的产生。
交流加热方法也可以与外部加热方法结合使用，以进一步提高加热速度并降低加热能耗。Sun等人提出将由外部电源供电的电热膜附接到电池的底部，以利用电池充电和放电过程以及电热膜产生的热量同时加热电池。在-17℃ 和-27 ℃ 下，对比分析了电池在加热和非加热条件下的放电曲线。所提出的复合加热方法可以大大提高电池的放电容量。熊瑞等提出了一种将交流电内部加热和宽线金属膜外部加热相结合的复合加热方法，如图2 (B) 所示。当电池需要加热时，温控开关打开，外部电源施加的交流电流依次流过宽线金属膜和电池。当电池温度达到预设温度时，温控开关闭合，宽线金属膜短路，动力电池正常充放电。与交流加热法相比，复合加热法的加热能耗降低了23% %，加热速度提高了22% %。
车辆交流加热方法也引起了研究人员的关注。Jiang等人设计了一种利用电池组本身作为电源产生交流电的软开关LC谐振电路，如图1所示。2(c)。谐振电路产生交流和直流叠加电流波形，叠加电流的使用可以提高电池内部阻抗的利用率，缩短加热时间。利用提出的方法对电池组进行加热，在600s内将电池组温度从-20.8 ℃ 加热到2.1 ℃，加热速率达到2.29 ℃/min。加热过程仅消耗电池能量的6.64%，电池组内的温差仅为1.6 ℃。基于LC谐振电路，尚等人设计了一种车载高频交流电发生器，利用产生的高频交流电对电池进行加热，使加热速率达到3.57 ℃/min。Li等人提出使用现有的车载逆变器电路和电机来形成交流发电机，如图i所示。2(d)。通过晶闸管的接通和断开，电流在电池和电动机之间流动，并且电池和电动机被迅速加热。当电流幅值为4C时，电池的升温速率可达8.6 ℃/min。
调节交流电的幅值和频率可以改变交流电加热的加热速率，但是交流电参数对电池老化的影响尚不清楚。为此，朱等人通过实验进一步研究了交流幅值和频率对电池温升和电池老化的影响。研究发现，较高的电流频率和较低的电流幅度有利于降低电池老化的风险。如图3(a) 所示，在高频电流作用下，电池激发时间极短，没有电荷转移和扩散过程，因此不会发生锂析出。随着电流频率的降低，发生电荷转移和扩散。此时，如果电流幅度低，则在充电期间插入到负极的固相颗粒中的锂离子可以在放电期间完全脱嵌，从而不产生死锂，如图2所示。如图3 (B) 所示，如果电流幅度高，则充电期间产生的锂离子不能完全嵌入到负极的固相颗粒中。经过多次充放电循环后，会产生锂，导致电池容量不可逆损失。Zhu等人用不同幅度和频率的交流电对电池进行了数百次循环，并测量了电池的容量，直流电阻和电化学阻抗谱，以评估电池的健康状况。同时，通过扫描电子显微镜和能量色散x射线光谱研究了细胞的内部形态。结果表明，在合理的电压阈值限制下，即使在低频范围 (0.5Hz) 内，交流加热方法也不会明显加剧电池容量衰减。
综上所述，交流加热方式具有加热速度快、能量利用效率高、温度均匀性好等显著优点，具有广阔的发展前景。在外部交流电源的情况下，交流加热方法的加热电路非常简单，易于实现。对于车载交流加热方式，有必要考虑外部交流电流发生器电路对系统成本和体积的影响。交流电的频率和幅度可以调节，从而可以控制加热过程，并且有进一步优化的空间。此外，充分研究和了解交流电流对电池老化的影响，有利于实现高效安全的加热方式。但在现有研究中，交流加热法对电池老化的研究仅停留在对电池容量的分析上，还需要从电化学机理的角度进行进一步的研究。此外，文献中交流加热方法的应用对象大多是电池单体，关于电池模块和电池组的文献较少。考虑到分组后电池的不一致性，仅针对电池单元的研究而开发的交流加热方法可能会导致电池组或电池组中产生不均匀的热量，从而导致内部温度梯度并加速电池老化。
以上加热方式以能耗、加热速度、温差 (温度均匀性) 和电池老化为性能指标进行详细比较，如表1所示。
低温快速加热方法从内部加热电池，缩短了传热路径，可以达到快速加热的目的。其中，自发热锂离子电池用内部薄镍片加热电池，导致温度均匀性差。交流加热方式使用外部电源，其他加热方式消耗电池本身的能量。能耗是评价供暖模式性能的重要指标。在加热过程中可能发生的电池老化是低温快速加热方法的主要问题。对于内部自加热方式和自加热锂离子电池，电池在加热时处于放电状态。尽管不会发生负锂沉淀等直接损坏，但长期高倍率放电会加速老化。对于MPH加热方式，有必要避免在低频和高SOC条件下使用，以降低电池负极中锂沉淀的风险。对于交流加热，使用高频电流有利于降低老化风险; 而低频电流应谨慎使用，并应施加额外的限制 (如电压限制)，以避免对电池造成不可逆的损害。
在低温环境下，为了恢复锂离子电池的电量和容量，避免锂析出，电池热管理系统需要提前将电池加热到合适的温度。然而，将电池从低温加热到合适的温度需要大量的能量消耗，这使得电池加热技术比电池冷却技术更加困难。对于储能有限的电动汽车来说，电池加热所消耗的能量将直接影响电动汽车的续航能力。因此，为了保证乘员舱的舒适性和降低能耗，需要优先考虑电池加热模式的能量优化控制策略。
对于实际应用，冬季电动汽车的预热时间不应太长。通常通过设置合理的预热目标温度和加热功率来缩短预热时间。对于电瓶车的冷启动工况，目标温度一般设定为略高于0 ℃，此时电池可以恢复大部分的动力性能。在电池车的快速充电条件下，为了防止锂从负极析出，需要设定较高的预热目标温度。
电池、电池模块和电池组不仅与温度有关，还与温度均匀性有关。温度分布不均匀会导致电流和SOC分布不均匀，这将导致电池容量下降，动力性能下降，局部加速老化。为此，加热策略的设计需要考虑加热过程中电池、电池模块和电池组的温度分布均匀性，通常需要将整体温差控制在5摄氏度以内。
电池不仅在低温环境中具有加热要求，而且在高温环境中具有冷却要求。在电池组中，加热系统和冷却系统共享工作空间，存在相互影响的可能性。因此，在设计电池加热系统时，应将不影响电池冷却系统的运行和性能作为重要考虑因素，以确保电池热管理系统能够高效地执行加热和冷却模式。
此外，电动汽车的低温加热策略还需要考虑系统的成本，复杂性，可靠性和其他因素。综上所述，电动汽车低温加热策略的设计主要考虑以下因素:
(3) 加热过程中电池，电池模块和电池组的温度均匀性；
(6) 系统的综合成本，包括建设成本、工作成本和维护成本；
(7) 考虑加热系统设备的系统复杂性，重量和体积；
低温快速加热方式主要是利用电池本身的热量来达到加热目的，一般不影响现有的冷却系统。因此，选取电池加热策略设计目标中的能耗、加热速度、温度均匀性、电池老化、系统复杂程度、安全可靠性作为评价指标，以自发热锂离子电池的性能指标为基准，并根据表1对不同加热方式进行定性比较，如图4所示。分析表明，交流加热方法比其他方法更具优势，特别是在能耗和电池老化方面。
在低温环境下，锂离子电池的性能明显降低。为了提高动力电池的低温性能，对其进行加热显得尤为重要。本文系统综述了低温快速加热方式的最新研究进展，提出了电池加热策略的设计目标。最后，将电池加热策略设计目标的一些因素作为评价指标，横向比较了不同方法的优缺点。
低温快速加热法在温度均匀性、能耗和加热速度方面具有显著优势。其中，内部自加热方法可以应用于处于行驶状态的车辆，并且电池放电能量可以用于驱动其他车载电气设备。MPH加热方法由电池，储能元件和可控开关装置组成，以产生脉冲电流。优化脉冲电流的幅度和频率可以实现安全高效的加热过程。自发热锂离子电池具有加速快、能耗低的优点，但电池内部结构需要改造，其安全性和可靠性有待验证。交流发热的规律需要建立在准确的电池模型基础上，目前仅在单体电池层面取得了较多的研究成果，电池模块/电池组层面的相关理论和模型仍需深入研究。
对于电动汽车的应用，低温快速加热方式的研究仍处于起步阶段。如何在低温环境下高效安全地加热电池仍然充满挑战。为了加快内加热法和复合加热法的工程应用进度，还存在以下几个问题需要解决:
(1) 在现有研究中，加热策略对电池老化的研究不足，在电化学机理水平上电流参数对电池寿命的影响有待进一步研究。后续研究应建立电池的电化学模型，从机理层面揭示电流参数对电池老化的影响，明确不同工况下电池无老化的电流参数范围，进一步提高加热效率和安全性。
(2) 现有加热方式中的研究对象多为单体电池，对电池模块和电池组级的研究不足。模块内部的温度均匀性将极大地影响电池组的性能和老化率。电池加热模型和热模型是低温热管理系统设计的理论基础。后续研究应进一步从单体电池、电池模块和电池组等方面研究准确高效的电热耦合模型，考虑电池不一致性的影响，提高温度预测的精度和速度，为系统优化设计和加热控制策略设计提供理论支持。
来源:CNKI储能科学与技术
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基于粤港澳大湾区的中心城市，注重高端原材料资源的整合和研发生产，根据客户的使用条件和工艺要求，创新材料解决方案材料应用解决方案为客户创造最大价值的满意服务。Best (粘合，导电，密封，导热) 创新材料主要应用于电子消费产品，3C家电，人工智能和医疗设备等市场和领域。随着5g半导体新能源AI智能穿戴电子烟航天等新兴产业的发展，。通过积极开发满足新兴市场需求的创新材料，不断满足各行业客户的挑战，不断提供创新的最佳材料服务，以满足客户的新市场需求。创新与技术并行衍生，这一波强大的生命力正在推动公司成为世界一流的材料解决方案服务商。
